Mesures et Références de Temps et de Fréquence

Responsable de l'UE : François VERNOTTE      

Objectifs

Initiation à la métrologie du temps et des fréquences

- Connaissance des principes physiques des étalons de fréquences

- Connaissance des outils théoriques et expérimentaux du métrologue du temps et des fréquences

- Exemples d'utilisation pratique des appareils de mesure spécifiques

- Applications de la métrologie du temps et des fréquences (télécommunications, géopositionnement, spatial, etc.)

Pré requis

Équations de Maxwell

Rudiments de physique atomique et quantique

Connaissances de base en électronique

Traitement du signal

Contenus

Caractérisations de signaux (8/8/16) :

Etude complète des quatre appareils utilisés en TP (Analyseur de spectre BF et RF ; Compteurs de fréquence ; Analyseur de réseaux). Notions d’erreurs de mesures, de résolution, sensibilité et dynamique d’un appareil de mesure.

TP :

3. Analyseurs de réseaux : Paramètres S, Etude complète d’un oscillateur a cavité coaxiale en passant par la représentation en paramètres S. Caractérisation d’éléments passif. Détermination de la permittivité d’un matériau à l’aide d’un résonateur micro-ondes.

4. Temps Fréquence, compteur de fréquence : Mesure de la stabilité relative de fréquence d’oscillateurs R.F. Variance d’Allan, Vraie, de Hadamard. Influence des paramètres extérieurs (température, tension d’alimentation) sur la stabilité relative de fréquence.

5. Analyseur de spectre R.F : Etude des non linéarités de composants passifs et actifs (amplificateur, mélangeurs). C.E.M.

6. Analyseur de spectre B.F : Bruit de fond d’amplificateur. Banc de mesure de bruit de phase. Etude de la P.L.L.

Métrologie et bruit (6/6/8) :

 - Quantité et relations de base, modèles mathématiques : modélisation du signal délivré par un oscillateur, caractérisation du bruit dans le domaine temporel (fonctions d'autocorrélation) et fréquentiel (densités spectrales de puissances), modèles de bruit. - Méthode d'analyse : les variances (variance d'Allan), mesure du bruit de phase.

Références Temps-Fréquence (8/4/0) :

- Résonateurs et oscillateurs : oscillateur harmonique, oscillations entretenues, coefficient de qualité, oscillateurs et horloges.

- Rappels historiques : des calendriers aux horloges mécaniques, évolution des performances au cours du temps

- Les oscillateurs à quartz : piézoélectricité, schéma équivalent, VCO, sensibilité aux conditions extérieures, conditions d'oscillations, bruit des oscillateurs (modèle de Leeson, bruit de l'amplificateur).

- Les horloges atomiques : définition de la seconde du SI, étalons primaires et secondaires, principes généraux (transitions atomiques et niveaux d'énergie, niveaux hyperfins, population des niveaux, etc.), horloges passives et actives, l'horloge à jet de Césium, les fontaines atomiques, le maser à hydrogène, les fréquences optiques (ions piégés, peignes de fréquence).

- Échelles de temps : transfert de temps et de fréquence, les différentes échelles de temps.